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植物细胞壁主要是由纤维素、半纤维素、果胶以及结构蛋白组成的复杂结构,细胞壁在植物响应非生物胁迫过程中起着重要作用。植物在响应低温胁迫时,细胞壁代谢以及相关酶类活性会发生变化。温度变化能够动态调节果胶的含量及果胶甲基酯化程度,而果胶甲基酯化程度受到果胶甲基酯酶（PMEs）与果胶甲基酯酶抑制蛋白（PMEIs）的共同调控。木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶（XTHs）催化木葡聚糖分子的断裂与再连接修饰植物细胞壁的纤维素-木葡聚糖复合结构。研究发现植物在低温条件下XTH与PMEI基因表达量会发生变化,当植物遭受低温胁迫时PMEI基因表达量升高而XTH基因表达量降低,但XTH与PMEI基因对植物抗冻性的影响机理尚未研究清楚。本论文采用分子遗传学方法,以拟南芥为材料研究XTH和PMEI基因在调节植物抗冻性中的影响及其机理。本研究取得的研究结果如下:1.构建了35S:XTH5/7以及35S:PMEI1/13表达载体,随后将其转入野生型拟南芥Col-0获得了XTH5、XTH7、PMEI1、PMEI13基因过表达（oxXTH5、oxXTH7、oxPMEI1、oxPMEI13）转基因植物。低温处理下植株存活率实验发现,过表达XTH转基因株系在-5℃（1h）条件下植株存活率与野生型Col-0相比上升了25%左右,过表达PMEI转基因株系在-5℃（1h）条件下植株存活率与野生型Col-0相比降低了25%左右,结果统计差异性显著,表明过表达XTH基因能够增强植株抗冻性,而过表达PMEI基因使拟南芥抗冻性降低。2.分析了转基因植株对抗冻性的影响是否与细胞壁纤维素、半纤维素、果胶含量变化相关。结果表明,过表达XTH基因使细胞壁半纤维素含量升高了28%左右（与野生型Col-0相比差异显著）,纤维素和果胶含量不变,这一过程可能会增加细胞壁的硬度,从而增强了细胞壁的刚度和强度使植物具有更强的抗逆性。过表达PMEI基因使细胞壁的果胶含量略有降低,而果胶含量的增加与植物抗冻性存在正相关的关系,这可能是引起oxPMEI基因型植株抗冻性降低的一部分原因。但过表达PMEI基因引起拟南芥抗冻性降低的主要原因是,过表达PMEI基因增加了细胞壁果胶甲酯化程度,低甲酯化果胶能够释放游离羧基与Ca2+交联产生坚硬的凝胶增强细胞壁刚性,从而使植物具有更强的抗逆性。3.分析了过表达XTH、PMEI基因对拟南芥根长的影响。结果显示,在22℃、1周生长条件下,oxXTHs基因型植株根长与野生型Col-0相比上升了12%左右;在8℃、3周生长条件下,oxXTHs基因型植株根长与野生型Col-0相比上升了13%左右,差异性显著。表明,无论在低温还是常温条件下,过表达XTH都能够促进拟南芥根系生长。在22℃、1周生长条件下,oxPMEIs基因型植株根长与野生型Col-0无显著性差异;在8℃、3周生长条件下,oxPMEIs基因型植株根长与野生型Col-0相比上升了20%左右,差异性显著。表明,在低温条件下,过表达PMEI能够促进拟南芥根系生长。由于XTH基因能够通过改变细胞壁中纤维素沉积和细胞壁的延伸性参与初生根的生长,PMEI基因能够通过调节果胶的糖醛酸多聚糖甲酯化影响细胞伸长,这可能是它们根长变化的主要原因。4.分析了转基因植株对抗冻性的影响是否通过可溶性物质含量产生。结果显示,在过表达XTH基因4个植株株系中脯氨酸含量分别为45、65、67、84ug/g相比于野生型Col-0（脯氨酸含量30ug/g）显著升高;而过表达PMEI基因4个植株株系中脯氨酸含量分别为40、36、37、19ug/g与野生型Col-0（脯氨酸含量30ug/g）相比无显著性变化;可溶性总糖含量转基因株系与野生型株系间均无显著性差异;蔗糖、果糖的含量oxXTH基因型略高于oxPMEI基因型植株。以上结果表明过表达XTH基因能够引起植株内脯氨酸含量变化,但脯氨酸含量变化与XTH基因所引起的植株抗冻性变化趋势并不一致,说明过表达XTH基因所引起的抗冻性变化与脯氨酸含量变化无直接关系。5.分析了过表达XTH基因和PMEI基因对抗冻性的影响是否与抗氧化酶活性变化有关。抗氧化酶活性分析结果显示,转基因株系SOD、POD、CAT酶活性与野生型Col-0酶活性基本一致,均无显著性差异。表明转基因对抗冻性的影响与细胞内抗氧化酶活性无直接关系。6.分析了过表达XTH基因和PMEI基因对抗冻性的影响是否涉及CBF信号通路。qPCR结果显示,过表达XTH和PMEI基因对CBF与COR基因的表达产生了一定的影响,例如oxXTH5#4基因型植株CBF1基因表达量相比于野生型显著下降,oxPMEI13#13基因型植株CBF1基因表达量相比于野生型显著升高。但与oxXTH植株抗冻性增加、oxPMEI抗冻性降低的结果相比较,所有的CBF、COR基因表达量都不存在一致升高或一致降低的情况。表明,过表达XTH基因和PMEI基因对抗冻性的影响不涉及CBF信号通路。本论文通过分析拟南芥中两种基因（XTH与PMEI）对抗冻性的影响及机理,表明植物可通过调节细胞壁组分与结构影响植物抗冻性。